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Vorrichtung zum Messen von Wechselströmeii unter Benutzung eines Gleichstrominstrumentes
Für die Messung von Wechselströmen mit Hilfe eines Gleichstrominstrumentes pflegt
man das Gleichstrominstrument mit einem Gleichrichterventil in Reihe zu legen. Der
Hauptvorteil solcher Anordnungen besteht bekanntlich darin, daß die Messung weitgehend
frequenzunabhängig wird und daß man den gleichgerichteten Meßstrom auch über längere
Fernleitungen dem Meßinstrument zuführen kann; weiterhin vermag man auf diesem Wege
die höhere Meßempfindlichkeit der Gleichstrominstrumente für die Wechselstrommessung
dienstbar zu machen.
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Ein Nachteil der beschriebenen Anordnungen besteht darin, daß die
unvermeidlichen Schwankungen des Ventilwiderstandes in voller Höhe in das Meßergebnis
eingehen. Diesen Nachteil vermögen Reihenwiderstände in der Größenanordnung des
Ventildurchlaßwiderstandes, wie sie z. B. Hohage in Verbindung mit Glühkathodenröhren
von hohem innerem Widerstand (io5 bis ios Ohm) angewendet hat, nicht zu beheben.
Ebenso kann man diesen Nachteil durch Benutzung hochohmiger Meßinstrumente in befriedigender
Weise überwinden, weil es im Wesen der beschriebenen Anordnung liegt, daß das Meßinstrument
von pulsierendem Gleichstrom durchflossen wird, und weil die mit dem Widerstand
seiner Spulen ansteigende Induktivität des Meßinstrumentes infolgedessen sehr bald
die Frequenzunabhängigkeit in Verlust gehen lassen und das Instrument nur empirischer
Eichung für eine feste Frequenz zugänglich machen würde.
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Man hat daher bereits vorgeschlagen, Meßinstrument und Ventil mit
einem sehr hohen Widerstand (z. B. mit einem Kundtschen Metallhautwiderstand von
ios Ohm oder mehr) in Reihe zu legen. Auf diese Weise erreicht man, daß der Ventilwiderständ
nur noch einen verschwindenden Bruchteil des im Meßkreis wirksamen Gesamtwiderstandes
darstellt und daß seine Schwankungen daher auf das Meßergebnis ohne merkbaren Einfluß
bleiben. Allerdings werden durch Einführung so hoher Widerstände die verfügbaren
Meßströme außerordentlich stark herabgedrückt, so daß man zur Anwendung sehr empfindlicher
und entsprechend kostspieliger Meßinstrumente gezwungen ist.
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Die Erfindung beseitigt die angeführten Nachteile der bisher bekannten
Anordnungen und schafft hierdurch ein überaus handliches und preiswertes technisches
Meßgerät. Nach der Erfindung wird für Anordnungen der zuletzt beschriebenen Art
ein induktionsarmer Widerstand benutzt, der mit dem Meßinstrument und einem Ventil
von verhältnismäßig geringem Durchlaßwiderstand in Reihe liegt und der um eine Größenanordnung
(d. h. etwa zehnmal) höher ist als der Durchlaßwiderstand des Ventiles im geradlinigen
Teil seiner Charakteristik. Gleichzeitig wird der MeBbereich des Meßinstrumentes
so gewählt, daß er diejenigen Stromwerte umfaßt, welche dem geradlinigen
Teil
der Charakteristik des Gleichrichters zugeordnet sind.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Schwankungen des
Ventilwiderstandes ihrer Ursache nach in zwei wesensverschiedene Gruppen aufgeteilt
werden können. Der ersten Gruppe gehören die durch Temperaturänderungen, mechanische
Einflüsse u. dgl. hervorgerufene Schwankungen an; sie übersteigen nach der Erfahrung
den Wert von io % des DUrchlaßwiderstandAS nicht. Die zweite Gruppe umfaßt die durch
die Krümmung der Ventilcharakteristik bedingten Änderungen des Ventilwiderstandes,
welche den Dürchlaßwiderstand in Abhängigkeit von der Höhe des auf das Ventil entfallenden,
mit der Meßspannung schwankenden Spannungsabfalles bringen.
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Benutzt man zu kleine Reihenwiderstände, so macht sich die erste Gruppe
der angeführten Störungsquellen im Meßergebnis sehr stark bemerkbar; benutzt man
hingegen zu große Reihenwiderstände, so wird der auf das Ventil entfallende Spannungsabfall
zu klein, so daß das Ventil im unteren, stark gekrümmten Bereich seiner Charakteristik
arbeitet und sein Durchlaßwiderstand dementsprechend stark (beispielsweise i : io)
mit der Meßspannung schwankt. Erst durch Benutzung extrem hoher Widerstände können
diese Fehlerquellen, welche eine völlige Verzerrung der Meßskala hervorrufen, wieder
unschädlich gemacht werden; man benötigt dann aber lochempfindliche, nur in Spezialfällen
technisch verwendbare Meßinstrumente.
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Die Erfindung besteht in der. Erkenntnis, daß zwischen den beiden
genannten Grenzen ein Optimalgebiet besteht, innerhalb dessen. die Störungsquellen
der ersten Gruppe bereis jede praktische Bedeutung verlieren, während die Störungsquellen
der zweiten Gruppe deshalb noch bedeutungslos bleiben, weil die Meßströme in dem
maßgebenden Ablesegebiet dem geradlinigen Teil der Ventilcharakteristik angehören.
Dieses optimale Gebiet wird. dann ausgenutzt, wenn man den Vorschaltwiderstand um
eine Größenordnung höher bemißt als den Durchlaßwiderstand des Ventiles, und wenn
man das Meßiristrument so wählt, daß seixj. Meßbereich die dem geradlinigenTeil
der Ventilcharakteristik zugeordneten Stromstärkenwerte umfaßt; denn in diesem Falle
sinkt der Einfluß von Schwankungen des Ventilwiderstandes, deren Ursache der ersten
Gruppe von Störungserscheinungen angehört, unter i °/o; während der Einfluß der
Krümmung der Ventilcharakteristik noch so klein bleibt, daß er hur in den untersten
Skalenteilen- ablesbare Abweichungen hervorzurufen vermag.
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Die entscheidenden Vorteile der Erfindung bestehen also darin, daß
unter Benutzung verhältnismäßig wenig empfindlicher Gleichstrominstrumente ein Meßgerät
für Wechselspannungen geschaffen wird, das sich durch lineare Skala auszeichnet
und das keiner empirischen Eichung bedarf. Wird nach der Erfindung. der Vorschaltwiderstand
mit dem Ventil und dessen Zubehör in einem geschlossenen Gerät vereinigt, so kann
man infolgedessen jedes Gleichstrominstrument durch Vorschalten dieses Gerätes in
einWechselstrominstrument verwandeln. Die-Anpassung der Meßbereiche für Gleich-
und Wechselstrom kann wegen des linearen Gleichlaufes beider Skalen entweder durch
einmalige Bestimmung des Umrechnungskoeffizienten erfolgen; gegebenenfalls kann
man den Vorschaltwiderstand auch so bemessen, daß die Skalenteilungen für Gleich-
und Wechselstrom zusammenfallen.
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Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Abbildungen näher erläutert.
Gemäß Abb. i enthält das gemeinsame Gehäuse i ein Gleichstrominstrument 2, mit dem
der Widerstand 3 und die Ventilröhre q. in Reihe geschaltet sind. Als Ventil ist
im vorliegenden Beispiel eine Glühkathodenröhre (z. B. eine normale Elektronenröhre,
deren Gitter mit der Anode verbunden ist) gewählt. Der Heizkreis für die Glühkathode
ist dabei der Übersichtlichkeit halber nicht mit eingezeichnet. An die Klemmen 5
und 6 wird die zu messende Wechselspannung gelegt.
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Der innere Widerstand des Glühventiles q betrage z. B. 2ooo Ohm und
das Instrument erfordere für seinen Maximalausschlag etwa 2 M. A. Für einen Vorschaltwiderstand
3 von 23 ooo Ohm erhielte man dann einen Gesamtmeßbereich von 50 Volt Gleichspannung
und von etwa iii Volt Wechselspannung. Die Meßgenauigkeit des Instrumentes für diese
Meßbereiche ist dabei - ausgenommen sehr kleine Ausschläge - für alle technischen
Zwecke ausreichend 'und die Ablesung völlig linear. Die verschiedenen Größen der
Meßbereiche für Gleichstrom und Wechselstrom erklären sich daraus, daß bei Wechselstrom
jeweils nur ein Wechsel das Gleichstrominstrument 2 durchfließt, während der andere
Wechsel durch das Ventil q. blockiert wird. Das Gleichstrominstrument zeigt also
nur den halben Mittelwert eines Wechsels an. Der Kontaktknopf 7 dient zur Überbrückung
des Ventiles q., damit Gleichstrommessungen ohne Heizung des V entiles q. ausgeführt
werden können. Der Widerstand 8 ersetzt dann den inneren Widerstand des Ventiles
q. und ist so bemessen, daß die Gleichspannungsangabe richtig erfolgt (im Beispiel
also auf 2ooo Ohin).
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Der innere Widerstand des Gleichrichters, der oben mit 2ooo Ohm angenommen
wurde; läßt sich praktisch nur der Größenordnung nach bestimmen. In Wirklichkeit
ändert er sich mit der jeweils fließenden Stromstärke, da die Stromspannungscharakteristik
jedes Gleichrichters
sich als eine gekrümmte Kurve darstellt (s.
Kurve ig, Abb. 3). Nach der Erfindung wird der durch diese Krümmung bedingte Meßfehler
zunächst dadurch herabgedrückt, daß der vorgeschaltete Ohmsche Widerstand 3 ein
Mehrfaches des Ventilwiderstandes beträgt. Sehr wichtig ist jedoch auch, daß der
Widerstandswert, welcher bei der Berechnung des Vorschaltwiderstandes 3 für den
inneren Widerstand des Ventiles q. angenommen wird, durch eine besondere Schaltungsmaßnahme
und eine im folgenden zu erläuternde neue Berechnungsmethode festgelegt wird. Der
als konstant angenommene - Widerstand des Ventiles .4 ist in Abb. 3 als gerade Linie
2o eingezeichnet. Durch geeignete Z@'ahl des Anschlußpunktes vom Meßkreis an den
Heizkreis des Ventiles kann der Schnittpunkt 21 dieser Geraden 2o mit der Abszisse
beliebig nach oben oder unten verschoben werden. Der Anschlußpunkt und die Größe
des angenommenen Widerstandes werden derart gewählt, daß die ihn definierende Gerade
2o soweit wie möglich innerhalb eines Gebietes auf dem Stromspannungsdiagramm (Abb.
3) verläuft, welches alle diejenigen Werte zu beiden Seiten der Charakteristik ig
umschließt, die um nicht mehr als einen bestimmt festgelegten Betrag 'von dieser
Charakteristik ig abweichen (schraffiertes Gebiet). Es sei dies im folgenden näher
erläutert. In dem bereits angeführten Beispiel erreichte das Gleichstrominstrurnent
seinen :Maximalausschlag bei 2 M. A. Der Meßbereich sollte für Gleichstrom maximal
5o Volt betragen; es muß demnach der `'Widerstand, d. h. der Vorschaltwiderstand
3 und der Galvanometerwiderstand zusammen, 25 ooo Ohm betragen. Die Ablesegenauigkeit
des Instrumentes (nicht zu verwechseln mit der Anzeigegenauigkeit) soll, wenn das
Instrument 5o Skalenteile besitzt, ± i/2 Skalenteil sein. So ergibt sich das in
Abb.3 eingezeichnete schraffierte Gebiet -23, welches zu beiden Seiten der Gleichrichtercharakteristik
i9 ein Toleranzgebiet aufweist, innerhalb dessen die Fehler unterhalb der angenommenen
Ablesegenauigkeit (@ 1/z Skalenteil) liegen.
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Bei der Messung von sinusförmigen Wechselspannungen sind die maximalen
Augenblickswerte, die das Instrument bei Vollausschlag durchfließen, das n-fache
von 2 M. A., d. h. etwa 6,28 M. A. Das rechnerisch extrapolierte Toleranzgebiet
23 erweitert sich oberhalb von 2 M. A. proportional der Stromstärke und erreicht
infolgedessen bei 6 M. A. z. B. 3 # 0,5 = ± 1,5 Volt. In dieses (schraffierte) Toleranzgebiet
ist erfindungsgemäß die Gerade 2o gelegt, welche den in die Rechnung einzusetzenden
Wert für den inneren Widerstand des Gleichrichters .4 definiert. Diese Gerade hält
sich, abgesehen von den kleinsten Stromwerten, streng innerhalb der eingezeichneten
Toleranzzonen. Es ist also die Bedingung erfüllt, daß der Fehler der Ablesung stets
kleiner als i/2 Skalenteil bleibt. Der in die Rechnung einzusetzende innere Widerstand
des Ventiles ist gleich der Tangente des Neigungswinkels der Widerstandsgeraden2o;
er beträgt im Beispiel 2ooo Ohm. Nach der Erfindung wird der Anschlußpunkt für den
Meßkreis am Gleichrichterventil auf ein Vorspannungspotential verlegt, das sich
aus dem Schnittpunkt 21 der Geraden ao mit der Ordinate ergibt. Im vorliegenden
Falle liegt dies Potential 3 Volt über dem negativen Punkt des Heizfadens. Das positive
Ende des Heizfadens hat bei den gebräuchlichen Röhren eine Spannung von + 3,5 Volt.
Man kann also den Anschluß des Meßkreises an einem kleinen Potentiometer abgreifen,
welches parallel zum Heizfaden liegt und den Anschlußpunkt des Meßkreises in einfachster
Weise auf das gewünschte Potential einzustellen gestattet. In der Praxis genügt
jedoch im allgemeinen ein Anschluß am positiven Ende des Heizfadens, ' weil dadurch
die Lage der Geraden 2o nur unwesentlich verschoben wird und die Schaltung an Einfachheit
gewinnt.
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Die Erfindung gestattet es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche das
Ventil und den evtl. auswechselbaren Vorschaltwiderstand 3 vereinigt und mit dem
Heizkreis des Ventiles ein geschlossenes Ganzes bildet, derart, daß durch Anschluß
dieses Gerätes an ein Gleichstrominstrument eine Meßvorrichtung für Wechselspannengen
entsteht. Auf diese Weise ist es möglich, jedes beliebige Gleichstrominstrument
durch Anschluß an das genannte Gerät in ein Wechselspannungsinstrument umzuwandeln.
Die vorhandenen Gleichstrominstrumente gewinnen somit universelle Verwendbarkeit.
Die Wirtschaftlichkeit und Zweckmäßigkeit eines solchen Gerätes liegt auf der Hand,
da die gleichzeitige Haltung von Wechselspannungs- und Gleichspannungsinstrumenten
bisher erhebliche Mittel erforderte, welche bei Anwendung der Erfindung nicht mehr
benötigt werden, Die moderne Entwicklung der elektrischen Ventile (z. B. Elektronenröhren)
ist so weit fortgeschritten, daß es nur geringer Heizenergien bedarf, um das Ventil
in Gang zu bringen. Ein unmittelbarer Einbau des Heizkreises und der zugehörigen
Batterien (Trockenbatterien) in das neue Gerät ist praktisch leicht durchführbar.
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Ein Ausführungsbeispiel von sehr technischem Gepräge zeigt die Abb.
2. Das Instrument g sei z. B. ein Gleichstrommilliamperemeter. io ist die Vereinigung
von Ventil ii und Widerstand 12 zu einem geschlossenen Ganzen. Der Heizkreis des
Ventiles ii, bestehend aus Batterie (zweckmäßig auswechselbar) und Heizwiderstand
z3, kann durch Druck auf den Knopf i¢ geschlossen werden. Die Wechselspannung wird
an die Klemmen 15 und 16 angelegt. Wie aus
der Leitungsführung .zu
ersehen ist, liegt das Galvanometer 9 in Reihe mit dem Ventil -ii und dem auswechselbaren
Widerstand 12. Der Ohmbetrag des Widerstandes 12 ist ein Mehrfaches von dem nach
dem oben beschriebenen Verfahren ermittelten inneren Widerstand des Ventiles. Durch
die Auswechselbarkeit des Widerstandes 12 besteht in bekannter Weise die Möglichkeit,
den Meßbereich des Instrumentes zu verändern. Soll die Messung einer Wechselspannung
erfolgen, so wird lediglich der Knopf 14 niedergedrückt, so daß die Heizung des
Ventiles eingeschaltet und sofort wieder unterbrochen ist, wenn der Knopf 14 losgelassen
wird. Auf diese Weise wird die Heizbatterie geschont und braucht nur selten ausgewechselt
zu werden.
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Die Vorrichtung der Abb. 2 trägt des. weiteren den Kontaktknopf i7,
welcher in Reihe mit dem Widerstand 18 liegt. Der Widerstand 18 ist so bemessen,
daß das Milliamperemeter 9 einen Spannungsmeßbereich erhält, welcher es zur Messung
der Heizbatterie und der Fadenspannung des Ventiles ii geeignet macht. Es ist auf
diese Weise die Möglichkeit gegeben, durch Druck auf den Kontakt 17 die Spannung
der Heizbatterie zu prüfen und bei gleichzeitigem Druck auf die Taste 14 die Spannung
am Heizfaden ig. Bildet das Meßinstrument 9 und das Aggregat io eine marktfähige
Zusammenstellung, so ist es nach der Erfindung zweckmäßig, das Instrument 9 mit
zwei Meßskalen zu versehen, so daß sich die beiden Angaben für einen gewissen Zeigerausschlag
etwa wie 1:2,22 verhalten.. Diese Maßnahme hat den erheblichen Vorteil, daß das
Instrument zur Messung sowohl von Gleichspannungen als auch von Wechselspannungen
geeignet ist, ohne daß sich verschiedene Vorschaltwiderstände 12 oder eine Umrechnung
der Ablesung erforderlich machen. Der kleir3ere Meßbereich dient zur Messung von
Gleichspannungen, der größere Meßbereich für Wechselspannungen. Unter Umständen
ist es zweckmäßig, den Widerstand 12 nicht am Aggregat io, sondern am Instrument
9 anzubringen, damit für Gleichspannungsmessungen das Aggregat io gar nicht erst
angeschlossen zu werden braucht, vielmehr das . Instrument 9 allein zur Verwendung
gelangen kann.
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Liegt das Instrument 9 bereits mit fester Ableseskala vor, so ist
es zweckmäßig, den Widerstand 12 diesem dadurch anzupassen, daß er etwa den 0,45
fachen Betrag von der Größe besitzt, die er haben müßte, damit im gleichen Meßbereich
mit Hilfe des Instrumentes 9 Gleichspannungen gemessen werden könnten. Die Verhältnisse
der Skalen und der Widerstände, die sich aus der oben ausgeführten Theorie der vorliegenden
Meßmethode ergeben, sind deshalb nur mit Annäherung genannt, weil sie jeweils unter
Berücksichtigung des inneren Widerstandes der betreffenden Ventilröhre genau bestimmt
werden müssen. Der Widerstand 3 bzw. 12 wird zweckmäßig induktionsarm (z. B. bifilar)
gewickelt, damit der Wechselstromwiderstand möglichst mit dem Ohmschen Widerstand
übereinstimmt.
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Ein Vorteil der Erfindung ist neben den obenerwähnten wirtschaftlichen
Vorzügen die Unabhängigkeit der Meßvorrichtung von der Fre-, quenz, insbesondere
wenn man die Galvanometerspule durch einen Kondensator überbrückt. Der geringe Leistungsverbrauch
gestattet Messungen an Schwingungsvorgängen, Transformatoren großer Streuung u.
dgl. mehr. Schließlich kann die Vorrichtung dazu verwendet werden, um in einfachster
Weise Scheitelfaktoren zu bestimmen. Unter Benutzung einer Gegenspannung wird zu
diesem -Zwecke der Ausschlag des Gleichstrominstrumentes bis auf Null herabgedrückt.
Dann ist die Gegenspannung gleich der Spitzenspannung des Wechselstromes. Aus dieser
Spitzenspannung und der vorher gemessenen Effektivspannung ergibt sich in bekannter
Weise der Scheitelfaktor.
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Von nicht zu unterschätzender Bedeutung ist der Umstand, daß bei der
beschriebenen Vorrichtung der Ausschlag des Instrumentes nicht mit dem Quadrat der
Spannung, sondern proportional der Spannung wächst. Natürlich läßt sich der Meßbereich
des Instrumentes durch Verwendung von Meßwandlern noch beliebig erweitern, so daß
auch ganz geringe Wechselspannungen, gegebenenfalls sogar Wechselstromstärken, mit
dem Instrument gemessen werden können.